Исследование релаксации энергии в нанопленке никеля после сверхбыстрого нагрева электронной подсистемы фемтосекундным лазерным импульсом

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Исследована динамика релаксации энергии в пленке никеля толщиной 73 нм, находящейся в сильнонеравновесном двухтемпературном состоянии, индуцированном воздействием фемтосекундного лазерного импульса. Выполнены экспериментальные измерения динамики изменения коэффициента отражения ΔR/R0 с фронтальной стороны нанопленки в оптической схеме «возбуждение–зондирование» с использованием методики фазочувствительного детектирования на длине волны 793 нм во временном диапазоне до 300 пс с временным разрешением 60 фс при максимально возможном неразрушающем поглощенном флюенсе Fabs = 10.87 мДж/см2 нагревающего импульса с длиной волны 396 нм и длительностью 150 фс. Сигнал ΔR/R0 содержит информацию как о динамике тепловых процессов, так и о распространении пикосекундных акустических импульсов в нанопленке и в подложке. Продольная скорость звука в нанопленке составила 5.73 ± 0.16 нм/пс, сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна–Мандельштама в подложке – около 21.15 ГГц. Двухтемпературный гидродинамический расчет дает значения максимальной температуры электронов Te = 2.9 кК и решетки Ti = 1.1 кК. Максимальные значения давления акустического импульса в нанопленке и в подложке составляют 6.8 и 1.2 ГПа соответственно. В литературе практически отсутствуют данные об исследованиях пикосекундной динамики тепловых и акустических процессов в нанопленках металлов при высоких начальных температурах электронной подсистемы, возбужденной в результате воздействия фемтосекундного лазерного импульса с плотностью потока энергии вблизи порога модификации (разрушения) материала.

作者简介

С. Ромашевский

Объединенный институт высоких температур РАН

编辑信件的主要联系方式.
Email: sa.romashevskiy@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

С. Ашитков

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: sa.romashevskiy@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

В. Хохлов

Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН

Email: sa.romashevskiy@gmail.com
俄罗斯联邦, Черноголовка

Н. Иногамов

Объединенный институт высоких температур РАН; Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН; Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л. Духова (Росатом)

Email: sa.romashevskiy@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва; Черноголовка; Москва

参考

  1. Hohlfeld J., Wellershoff S.-S., Güdde J., Conrad U., Jähnke V., Matthias E. Electron and Lattice Dyna-mics Following Optical Excitation of Metals // Chem. Phys. 2000. V. 251. № 1–3. P. 237.
  2. Caffrey A., Hopkins P., Klopf J., Norris P. Thin Film Non-noble Transition Metal Thermophysical Properties // Nanoscale Microscale Thermophys. Eng. 2005. V. 9. № 4. P. 365.
  3. Hopkins P.E., Klopf J.M., Norris P.M. Influence of Interband Transitions on Electron-Phonon Coupling Measurements in Ni Films // Appl. Opt. 2007. V. 46. № 11. P. 2076.
  4. Lin Z., Zhigilei L.V., Celli V. Electron-Phonon Coup-ling and Electron Heat Capacity of Metals under Conditions of Strong Electron-Phonon Nonequilibrium // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. № 7. 075133.
  5. Medvedev N., Milov I. Electron-Phonon Coupling in Metals at High Electronic Temperatures // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. № 6. 064302.
  6. Paddock C.A., Eesley G.L. Transient Thermoreflectance from Thin Metal Films // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. № 1. P. 285.
  7. Clemens B.M., Eesley G.L., Paddock C.A. Time-resolved Thermal Transport in Compositionally Modulated Metal Films // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. № 3. P. 1085.
  8. Tsibidis G.D. Ultrafast Dynamics of Non-equilibrium Electrons and Strain Generation Under Femtosecond Laser Irradiation of Nickel // Appl. Phys. A. 2018. V. 124. № 4. P. 311.
  9. Genieys T., Petrakakis M.N., Tsibidis G.D., Sentis M., Utéza O. Unravelling Ultrashort Laser Excitation of Nickel at 800 nm Wavelength // J. Phys. D. Appl. Phys. 2021. V. 54. № 49. 495302.
  10. Wellershoff S.-S., Hohlfeld J., Güdde J., Matthias E. The Role of Electron-Phonon Coupling in Femtose-cond Laser Damage of Metals // Appl. Phys. A. Mater. Sci. Process. 1999. V. 69. № 7. P. S99.
  11. Engel R.Y., Alexander O., Atak K. et al. Electron Population Dynamics in Resonant Non-linear x-ray Absorption in Nickel at a Free-electron Laser // Struct. Dyn. 2023. V. 10. 054501.
  12. Chang H.-T., Guggenmos A., Cushing S.K. et al. Electron Thermalization and Relaxation in Laser-heated Nickel by Few-femtosecond Core-level Transient Absorption Spectroscopy // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. 064305.
  13. Иногамов Н.А., Хохлов В.А., Ромашевский С.А., Петров Ю.В., Жаховский В.В., Ашитков С.И. Определение важнейших параметров металла, облученного ультракоротким лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 2. C. 107.
  14. Ашитков С.И., Иногамов Н.А., Комаров П.С., Петров Ю.В., Ромашевский С.А., Ситников Д.С., Струлева Е.В., Хохлов В.А. Сверхбыстрый перенос энергии в металлах в сильно неравновесном состоянии, индуцируемом фемтосекундными лазерными импульсами субтераваттной интенсивности // ТВТ. 2022. Т. 60. № 2. С. 218.
  15. Иногамов Н.А., Хохлов В.А., Ромашевский С.А., Петров Ю.В., Овчинников М.А., Ашитков С.И. Сильное возбуждение электронной подсистемы золота ультракоротким лазерным импульсом и процессы релаксации около температуры плавления // ЖЭТФ. 2024. Т. 165. № 2. С. 165.
  16. Matsuda O., Larciprete M.C., Li Voti R., Wright O.B. Fundamentals of Picosecond Laser Ultrasonics // Ultrasonics. 2015. V. 56. P. 3.
  17. Thomsen C., Strait J., Vardeny Z., Maris H.J., Tauc J., Hauser J.J. Coherent Phonon Generation and Detection by Picosecond Light Pulses // Phys. Rev. Lett. 1984. V. 53. № 10. P. 989.
  18. Edward S., Zhang H., Setija I., Verrina V., Antoncecchi A., Witte S., Planken P. Detection of Hidden Gratings through Multilayer Nanostructures Using Light and Sound // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 14. № 1. 014015.
  19. Zhang H., Antoncecchi A., Edward S., Setija I., Plan-ken P., Witte S. Unraveling Phononic, Optoacoustic, and Mechanical Properties of Metals with Light-Driven Hypersound // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 13. № 1. 014010.
  20. Thomsen C., Grahn H.T., Maris H.J., Tauc J. Picose-cond Interferometric Technique for Study of Phonons in the Brillouin Frequency Range // Opt. Commun. 1986. V. 60. № 1–2. P. 55.
  21. Gusev V.E., Ruello P. Advances in Applications of Time-domain Brillouin Scattering for Nanoscale Imaging // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. № 3. 031101.
  22. Devos A., Côte R. Strong Oscillations Detected by Picosecond Ultrasonics in Silicon: Evidence for an Electronic-structure Effect // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. № 12. 125208.
  23. Greener J.D.G., de Lima Savi E., Akimov A.V., Raetz S., Kudrynskyi Z., Kovalyuk Z.D., Chigarev N., Kent A., Patané A., Gusev V. High-frequency Elastic Coupling at the Interface of van der Waals Nanolayers Imaged by Picosecond Ultrasonics // ACS Nano. 2019. V. 13. № 10. P. 11530.
  24. Thomsen C., Grahn H.T., Maris H.J., Tauc J. Surface Generation and Detection of Phonons by Picosecond Light Pulses // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. № 6. P. 4129.
  25. Eesley G.L., Clemens B.M., Paddock C.A. Generation and Detection of Picosecond Acoustic Pulses in Thin Metal Films // Appl. Phys. Lett. 1987. V. 50. № 12. P. 717.
  26. Saito T., Matsuda O., Wright O.B. Picosecond Acoustic Phonon Pulse Generation in Nickel and Chromium // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. № 20. P. 1.
  27. Kim J.-W., Vomir M., Bigot J.-Y. Ultrafast Magnetoacoustics in Nickel Films // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109. № 16. 166601.
  28. Edward S., Zhang H., Witte S., Planken P.C.M. Laser-induced Ultrasonics for Detection of Low-amplitude Grating Through Metal Layers with Finite Roughness // Opt. Express. 2020. V. 28. № 16. P. 23374.
  29. Persson A.I.H., Enquist H., Jurgilaitis A., Andreasson B.P., Larsson J. Real-Time Observation of Coherent Acoustic Phonons Generated by an Acoustically Mismatched Optoacoustic Transducer Using X-Ray Diffraction // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. 185308.
  30. Crimmins T.F., Maznev A.A., Nelson K.A. Transient Grating Measurements of Picosecond Acoustic Pulses in Metal Films // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. № 9. P. 1344.
  31. Tzianaki E., Bakarezos M., Tsibidis G.D., Orphanos Y., Loukakos P.A., Kosmidis C., Patsalas P., Tatarakis M., Papadogiannis N.A. High Acoustic Strains in Si Through Ultrafast Laser Excitation of Ti Thin-film Transducers // Opt. Express. 2015. V. 23. № 13. P. 17191.
  32. De Haan G., van den Hooven T.J., Planken P.C.M. Ultrafast Laser-induced Strain Waves in Thin Ruthenium Layers // Opt. Express. 2021. V. 29. № 20. P. 32051.
  33. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Агранат М.Б. Сопротивление деформированию титана вблизи теоретического предела прочности // ТВТ. 2018. Т. 56. № 6. С. 897.
  34. Струлёва Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Термомеханическая абляция титана при фемтосекундном лазерном воздействии // ТВТ. 2019. Т. 57. № 4. С. 529.
  35. Johnson P., Christy R. Optical Constants of Transition Metals: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Pd // Phys. Rev. B. 1974. V. 9. № 12. P. 5056.
  36. Danilov E.A., Uryupin S.A. Generation and Detection of Sound at the Effect of Femtosecond Pulses on a Metal Film on a Dielectric Substrate // J. Appl. Phys. 2023. V. 133. 203101.
  37. Danilov E.A., Uryupin S.A. Influence of Inhomogeneous Temperature and Field Distribution on Sound Generation and Its Effect on Reflectivity of a Thin Film Heated by a Femtosecond Pulse // J. Appl. Phys. 2024. V. 136. 015304.
  38. Анисимов С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Мигдал К.П., Петров Ю.В., Хохлов В.А. Физика высоких плотностей энергии и лазерные технологии // ЖЭТФ. 2019. Т. 156. № 4. С. 806.
  39. Demaske B.J., Zhakhovsky V.V., Inogamov N.A., Oleynik I.I. Ultrashort Shock Waves in Nickel Induced by Femtosecond Laser Pulses // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 5. 054109.
  40. Жаховский В.В., Иногамов Н.А. Упруго-плас-тические явления в ультракоротких ударных волнах // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92. № 8. С. 574.
  41. Inogamov N.A., Petrov Y.V., Zhakhovsky V.V., Khokhlov V.A., Demaske B.J., Ashitkov S.I., Khishchenko K.V., Migdal K.P., Agranat M.B., Anisimov S.I., Fortov V.E. Two-temperature Thermodynamic and Kinetic Properties of Transition Metals Irradiated by Femtosecond Lasers // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1464. P. 593.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».